（检测技术与自动化装置专业论文）涡街流量计工况条件适应性研究.pdf

中文摘要 涡街流量计是一种流体振动式流量计，因其无机械可动部件、介质适应性强、 压力损失小等优点，在化工、冶金、轻工、食品等领域得到广泛应用。但是，由 于工作现场环境复杂、流体流动情况多变，涡街流量计的正常计量是否不受上述 干扰影响，。还有待实践检验。基于如上考虑，本论文在管道周期性振动、不同介 质密度、油水两相混合流动三种不同工况条件下，对涡街流量计测量特性展开研 究，分析其适应性。 在相同流速范围内，对应力式普通涡街流量计、横河和a b b 数字涡街流量计 分别在垂直和水平振动方向、不同振动加速度下进行了管道周期性振动实验，通 过仪表系数相对误差分析，发现现有涡街流量计对管道周期振动均很敏感、抗振 加速度不超过0 i g ：进而设计出一种“三线共地型 压电探头，可将管道振动 信号和混有振动信号的复杂涡街信号同时输出，并利用e m d 方法分析振动信号及 自适应陷波滤波提取涡街频率，经仿真和实验验证，证明了该原理设计的抗周期 性振动涡街流量计能有效地克服管道周期振动对仪表系数造成的影响；最后以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为硬件核心，研制出一台抗周期性振动涡街流量计，通过不同 方向、加速度条件下的气体流量管道周期性振动实验，表明所研制的涡街流量计 在保证1 级的测量精度前提下，最大抗振加速度为0 7 9 。 通过调节正压法音速喷嘴气体流量标准装置的管道内介质压力来改变介质 密度，对不同空气介质密度下，涡街流量计流量特性进行实验研究，验证了涡街 流量计测量不受流体密度变化的影响，解释了涡街流量计流量下限随着介质密度 增大而降低的现象。 借助油气水三相流实验装置，对涡街流量计在垂直上升管内油水两相混合流 量的测量性能进行研究，结果表明涡街流量计测量不受流体组分的影响，并给出 了不同两相混合流量下、仪表系数相对误差随含油率的变化趋势及其相应解释。 通过上述三种不同工况下的探索研究，提高了涡街流量计抗管道周期性振动 的性能，补充丰富了涡街流量计在不同流体密度和油水两相流下的实验数据，具 有重要的实用价值。 关键词：涡街流量计管道周期振动介质密度油水两相流压电探头e 佃 d s p a b s t r a c t t h ev o r t e xf l o w m e t e ri sah y d r o d y n a m i ci n s t a b i l i t yf l o w m e t e ra n di sw i d e l yu s e d i nc h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , l i g h ti n d u s t r y , f o o di n d u s t r yd u et oi t sn o n m o b i l e c o m p o n e n t s ，i n s e n s i t i v i t yt om e d i a ，l o wp r e s s u r el o s s ，e t c h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h ef l o wi n s t a b i l i t y , t h ep e r f o r m a n c eo fv o r t e x f l o w m e t e r su n d e rt h e s ec o n d i t i o n ss h o u l db ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l b a s e do nt h e a b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，t h ev o r t e xf l o w m e t e r s a d a p t a b i l i t i e st op e r i o d i cp i p ev i b r a t i o n ， d i f f e r e n tm e d i u md e n s i t i e sa n do i l - - w a t e rt w o - - p h a s ef l o wh a v e b e e nt e s t e da n d d i s c u s s e d i nt h ep e r i o d i cp i p ev i b r a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ea c c u r a c yo fat y p i c a ls t r e s st y p e v o r t e xf l o w r n e t e ra n dt h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e r so fy o k o g a w aa n da b bh a v eb e e n s t u d i e db ym e a n so f c h a n g i n gt h ep i p ev i b r a t i n gd i r e c t i o nv e r t i c a l l ya n dh o r i z o n t a l l y a n dv a r y i n gt h ev a l u e so ft h ev i b r a t i n ga c c e l e r a t i o n s t h e i rr e l a t i v ee r r o r so fm e t e r c o e f f i c i e n ts h o wt h a tt h e ya r ea l ls e n s i t i v et ov i b r a t i o n sa n dt h e i ra n t i - v i b r a t i n g a c c e l e r a t i o n sd on o te x c e e d0 1g t h u san o v e lp i e z o e l e c t r i cd e t e c t o r , n a m e d t h r e e l i n e - c o m m o n - j o i n t , h a v i n gt w oo u t p u t si sd e s i g n e d o n eo u t p u ti st h ep e r i o d i c p i p ev i b r a t i o ns i g n a l ，a n dt h eo t h e ri st h ev o r t e xf l o wr a t es i g n a ls u p e r p o s e dw i t h t h e s ev i b r a t i o nn o i s e s t h ef r e q u e n c yo ft h ev i b r a t i n gs i g n a li so b t a i n e db yt h ee m d m e t h o d t h e nt h ev o r t e xf r e q u e n c yi se x t r a c t e df r o mt h em i x e ds i g n a l st h r o u g ht h e a d a p t i v e n o t c hf i l t e r b o t ht h e s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h e t h r e e - l i n e - c o m m o n - j o i n tm e t h o di sa b l et oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo fp e r i o d i cp i p e v i b r a t i o n s f i n a l l y , a na n t i - p e r i o d i c - v i b r a t i n gv o r t e xf l o w m e t e ri sd e v e l o p e db a s e do n t m s 3 2 0 f 2 812d s pa n dt h es a m ev i b r a t i o ne x p e r i m e n t so fd i f f e r e n tv i b r a t i n g d i r e c t i o n sa n da c c e l e r a t i o n sh a v e b e e nc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a n t i - v i b r a t i n ga c c e l e r a t i o ni su pt o0 7 9w i t ht h ea c c u r a c yo fl i nt h em e d i u md e n s i t ye x p e r i m e n t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e xf l o w m e t e r sh a v e b e e ns t u d i e db ya d j u s t i n gt h ep r e s s u r eo ft h eb a r o t r o p i c - v e n t u r in o z z l e sg a sf l o w c a l i b r a t i o nf a c i l i t y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h em e d i u md e n s i t yh a sn oi n f l u e n c e o nt h ea c c u r a c yo fv o r t e xf l o w m e t e r sa n dt h a tt h el o w e rf l o wl i m i td e c r e a s e sa st h e d e n s i t yo ft h ef l u i di n c r e a s e s i nt h eo i l - w a t e rt w o p h a s ef l o w e x p e r i m e n t s ，t h ep e r f o r m a n c e so fv o r t e x f l o w m e t e r sh a v eb e e ns t u d i e db yi n s t a l l i n gi to nav e r t i c a l u p w a r dp i p eo ft h e m u l t i - p h a s ef l o wf a c i l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c yo fv o r t e xf l o w m e t e r si s i n s e n s i t i v et ot h ec o m p o n e n t so ft h ef l u i d a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l a t i v ee 1 1 o r s o ft h em e t e rc o e 衔c i e n ta n do i lv o l u m ef r a c t i o n si sa l s od i s c u s s e d a b o v ea l l ，t h ea n t i v i b r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev o r t e xf l o w m e t e rh a sb e e n i m p r o v e da n dt h ed a t af o ri t su s i n gi nd i f f e r e n tm e d i u md e n s i t i e sa n do i l w a r t e r t w o p h a s ef l o wh a sb e e ns u p p l e m e n t e d ，w h i c hh a v eg r e a tp r a c t i c e k e yw o r d s ：v o r t e xf l o w m e t e r , p e r i o d i cp i p e v i b r a t i o n ，m e d i u md e n s i t y , 0 i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o w , p i e z o e l e c t r i cd e t e c t o r , e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作j 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二勺矗溉 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年2 月多日 本学位论文作者完全了解一鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 待授权，蓉莲盘雯西丁以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向团家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 柳d 洽 掺亨脯抛卜f 上月p r 导师躲弓饫 导师签名：厶7 7 1l 少 v。 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展，生产过程自动化已成为当今各生产行业面对的一 大问题，而过程检测是生产过程自动控制系统的重要组成部分。实施任何一种控 制，首要问题是要准确及时地把被控参数检测出来，并变换成为调节、控制装置 可识别的方式，作为过程控制装置判断生产过程的依据u 1 。作为感知、采集、转 换、处理和传输各种信息不可缺少的检测技术和仪表，已经成为与计算机同等重 要的技术而深入日常生活及生产的所有领域。各种新兴科学技术的突飞猛进，促 使工业生产得到不断发展，其对检测技术又提出了许多新的要求，而新的检测技 术和仪表的出现又进一步推动了科学技术的发展，故检测技术的发展程度决定了 科学技术的水平，换句话说检测技术和仪表是衡量现代科学技术水平高低的一个 标志刭。 工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位 一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控 制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质 量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础口1 。作为检测技术重要 组成部分的流量计量由于与国民经济、国防建设、科学技术的密切关系，在经济 发展中占有重要的地位。 2 0 世纪以来，由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求的 急剧增长，促使流量测量仪表得到迅速的发展，各种新型流量仪表大批量地涌现 出来嘲。本课题研究的涡街流量计正是近几年发展较快的流量计之一。 1 1 涡街流量计概述 涡街流量计属于流体振动式流量计，在特定的流动条件下，一部分流体动能 转化为流体振动，其振动频率与流速( 流量) 有确定的比例关系，依据这种原理 工作的流量计称为流体振动流量计嫡1 。 世界上最早研究涡街现象的人是匈牙利物理学家斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 口1 。 早在1 8 7 8 年s t r o u h a l 就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈 尔数就是表示涡街频率与阻流体特征尺寸、流速关系的相似准则。人们早期对涡 第一章绪论 街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍 将产生共振而破坏设备。2 0 世纪5 0 年代涡街流体振动现象开始用于测量研究， 如风速计和船速计等。6 0 年代末开始研制封闭管道流量计一涡街流量计，诞 生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。7 0 、8 0 年代涡街流量计发展异常迅 速，开发出众多类型检测法的涡街流量计，如应力式、电容式、超声式、振动式、 应变式、光电式和光纤式等嘲。9 0 年代又出现了差压式、超声式等检测方法的 涡街流量计n 。近几年，由于材料和技术的飞速发展，涡街流量计在向一体化、 多参数检测、智能化等方向迈进 1 ，也都取得了不同程度的进步。 涡街流量计较其他流量计有许多优点n ：输出为脉冲频率，其频率与被测流 体的实际体积流量成正比，不受流体组分、密度、压力、温度的影响，适用于流 体总量测量，无零点漂移；压力损失较小，测量范围较大，可达1 0 ：l 到2 0 ：1 甚至更大；与差压式流量计、浮子流量计等相比，其测量的精度较高，一般可以 达至l j 士l 士2 ；仪表内无机械可动部件，可靠性高，构造简单牢固、维护方便、 安装方式灵活、安装费用较低；适用范围较广，可用于液体、气体、蒸汽、低温 介质和各种腐蚀性与放射性介质的流量测量，气液通用：可根据介质和现场选择 相应的检测方法，仪表的适应性较强；在一定的雷诺数范围内，涡街流量计输出 信号频率不受流体物性变化的影响，仪表系数仅与旋涡发生体形状和尺寸有关， 与流体的密度无关，为旋涡发生体的标准化创造了条件。 由于涡街流量计具有上述优势，因此，在轻工、化工、电力、冶金、城市公 用事业等领域中都得到了广泛的应用。 1 2 涡街流量计主要存在的问题及研究现状 尽管涡街流量计具有种种优点，但是，涡街流量计尚属发展中的流量计，无 论是理论基础还是实践经验均有待继续深入、不断探索和充实。一方面，至今其 流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞 ( 均匀流场) 中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场的旋涡分离的 规律是不一样的。另一方面，实践经验更是需要通过长期应用才能积累n 别。虽然， 涡街流量计流量测量具有不受被测流体组分、密度、压力、温度影响的特点，已 在工业领域中普遍使用，但是，由于工况条件的复杂多变性，在实际应用现场涡 街流量计的流量测量是否依然不受干扰，仍需大量实验数据予以验证。而且，涡 街流量计本质上又是流体振动型流量计，因此，它对外界振动、流体的流动状态 特别敏感，如管道振动、流体的冲击力以及由于流体压力的变化产生的随机脉动 压力等，现场的这些干扰都会对流量测量造成很大的影响。 第一章绪论 综上所述，目前将涡街流量计用于流量测量，需要研究的主要问题是：( 1 ) 提高抗振性能。涡街流量计就是依据流体振动进行流量测量的，它不仅能检测流 体的振动，对管道机械振动同样敏感，如何能从夹杂着管道振动噪声的信号中把 涡街信号提取出来是目前研究的热点。( 2 ) 对不同物性、组分流体的适应性研 究。涡街流量计的流量测量原理上不受流体物性和组分的影响，但是在实际使用 中，被测流体密度、压力等物性的变化或者测量介质为气液、油水等两相混合流 量时，是否会对涡街流量计正常流量测量产生影响，成为新的研究方向。( 3 ) 抑制流场噪声的影响。流场的稳定性、均匀性不仅对卡曼涡街的形成和分离有影 响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响，附加的旋涡干扰了涡街信号， 降低了信噪比。( 4 ) 准确测量小流量。因为小流量所产生的横向升力较小，原 始信号非常微弱，易受各种噪声的影响，当噪声信号较强时，涡街信号将完全被 噪声淹没，使得其存在一个测量下限的死区，从而造成量程比受限，小流量不能 测量1 3 1 。 为了解决涡街流量计存在的问题，使其得到更加广泛的应用，国内外科研工 作者进行了大量的研究工作，并取得了一定进展，现将主要研究工作归纳为以下 五个方面：抗振性能的研究，流体的适应性研究，涡街信号处理方法的研究，旋 涡发生体的研究，涡街信号检测方式的研究。 1 、抗振性能的研究。随着涡街流量计应用领域的不断拓宽，其易受管道振 动影响的缺点逐渐显露出来，为了使其能适应不同工况环境，许多研究人员在提 高涡街流量计抗振性能方面展开研究。 1 9 9 2 年，姜仲霞n 钔针对管道振动干扰，在传感器设计方面，分别从简支梁的 设计、差动传感器结构、振动应力释放结构三个角度提供了解决方案。 1 9 9 2 年，蒙建波等n 司从流体振荡和管道振动着眼，以修正线性预测谱估计法 进行频谱分析，提出一种自适应频率测量方法，经过仿真和实验验证，取得了良 好的效果。 1 9 9 4 年，池兆明等n 6 】研究了电容式涡街流量计，剖析了其采用的差动开关电 容传感器的基本结构原理，分析了其具有抗振动能力强的特点。 1 9 9 7 年，刘晖n 刀从压电元件受力系统分析入手，研究了选择压电元件合适的 安装位置来解决涡街流量计的抗振性能，并给出了电路分析，实践证明，这种方 案取得了较好的效果。 1 9 9 8 年，李学南n 射分别研究了电容式、应力式和超声波式涡街流量计的抗振 动性能，得出电容式和应力式涡街流量计只能抗二维( 流体流动方向和与旋涡发 生体平行方向) 振动，超声波式涡街流量计具有抗三维振动能力的结论。 1 9 9 9 年，荷兰t n o t p d 流量中心e v a nb o k h o r s t 等人利用其振动试验装置， 第一章绪论 对商用涡街流量计进行了零流量下扫频试验和实流条件下固定振动频率试验，通 过对电流输出的误差分析，研究了轴向、垂直方向、水平方向管道振动对商用涡 街流量计测量的影响n 州制。 2 0 0 0 年，m i a u 等人口u 专门研究了冲击振动情况下对应力式涡街流量计输出 的影响，通过改进传感器的设计，在传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器， 去除了脉冲振动产生的尖峰噪声。 2 0 0 1 年，薛润林等乜2 1 对工况条件下的涡街流量计的测量进行分析，根据其工 况条件，提出在使用涡街流量计时加装防振接头的方案。这种方案可以直接衰减 管道振动对涡街流量计的影响，在实践中取得了良好的效果。 2 0 0 5 年，潘岚等口3 3 针对涡街流量计抗干扰性能差的缺点，设计了悬浮式差 动传感器这一新型结构，使流量计一次仪表输出信号的信噪比大大提高。实验结 果表明，采用这种传感器结构的涡街流量计的抗干扰性能得到显著改善。 日本横河电机有限公司研究了旋涡升力和管道振动引起的应力分布的不同， 发现用两片反向安装的压电元件作检测元件，感受到由旋涡升力引起的电荷量两 倍于单个压电元件，而由外界引起的管道振动等干扰噪声能部分得到抵消瞳劓。美 国a b b 公司则是在传统压电探头构成的流量传感器的基础上增加了振动传感器 和增益控制器，利用滤波的方式将检测到的振动信号滤除汹】。 2 、流体的适应性研究。这部分包括被测流体的物性变化和多相流对涡街流 量计测量特性的影响。 关于被测介质物性变化对涡街流量计测量产生的影响，研究较少。 1 9 9 0 年，姜仲霞等通过相同工作压力不同流量的实验和不同工作压力相同 流速状态下的实验，验证了涡街流量计的斯特劳哈尔数不随介质密度变化的结 论，但是，并未给出具体实验数据。 1 9 9 5 年，s o p h i eg o u j o n d u r a n d 研究了流体粘度对涡街流量计线性度的影 响，绘出不同粘度介质对涡街流量计线性度的校正曲线。 涡街流量计在多相流领域的研究，始于2 0 世纪8 0 年代，由于多相流研究的 难度较大，目前还处于探索阶段，主要研究成果如下： 1 9 8 2 年，h u l i n 等人啪1 在垂直上升管中通过研究气液两相流绕流双梯形柱体 时斯特劳哈尔数与液相流量和截面含气率的关系，指出当截面含气率小于1 0 时可以得到稳定的卡曼涡街流动，且采用双柱体有助于增加涡街的稳定性。 1 9 8 6 年，i n o u e 和y o k o s a w a 等人针对单根圆柱体在垂直上升管中进行了一 系列气液两相流实验，观测了柱体直径与含气率变化对涡街流动尾迹的影响，测 量了柱体附近流场的局部含气率、静压和流速，获取了柱体表面周向压力分布并 据此计算出柱体受到的时均阻力，并且在泡状流情况下发现了与单相流相似的双 第一章绪论 子涡9 儿划m 1 。 s h a k o u c h i 等人分别于2 0 0 1 、2 0 0 2 年研究了气液两相流流过阻流比为1 3 、 长宽比为4 的单矩形柱体的特性，提出了涡街频率与压降、两相雷诺数的实验关 联式口羽，讨论了阻流比对涡街脱落的影响删。 西安交通大学的林宗虎、李永光等人从流体力学的角度，对气液两相涡街脱 落特性及工程应用展开研究n 小删蚓7 1 ：提出了气液两相斯特劳哈尔数的通用计算 式，研究了气液两相流绕流单柱体和管束时涡街的结构与力学特性，开展了气液 两相涡街的数值计算等。 2 0 0 7 年，天津大学的贾云飞分别研究了泡状流和雾状流条件下，涡街流量 传感器的测量特性，并在雾状流条件下，通过对旋涡结构和涡街传递的机理性研 究，建立了涡街流量传感器斯特劳哈尔数随液相含量变化的数学模型旧1 。 2 0 0 7 年，浙江大学的孙志强研究了气液两相流绕流和气液两相流涡街尾流 中管壁压力的波动特性，并重点研究了涡街特性在气液两相流流动分析与参数检 测中的应用儿4 1 1 。 上述涡街流量计在多相流领域的研究主要集中在气液两相流方面，而关于油 水两相流方面，相关文献则较少。1 9 9 9 年，英国h e r t f o r d s h i r e 大学的a e s k e a 1 在英国国家工程实验室( 简称n e l ) 的水平实验管段上，就油或水中第2 相( 组 分) 液体含量对八种常用单相流量计进行了流量测量影响的实验研究。实验中选 用了一台罗斯蒙特公司的d n l 0 0 口径涡街流量计，文中只给出了该涡街流量计 在油中含水和水中含油时的测量值误差结果，但未对实验结果予以分析。 3 、涡街信号处理方法的研究。通过信号处理方法从各种噪声和干扰中把旋 涡信号有效地提取出来，是降低涡街流量计测量下限、扩大仪表量程范围的重要 手段。国外许多学者、机构和公司都很热衷于此方面的研究，并取得了一定成果。 1 9 9 7 年，m e n z m 3 将传感器融合技术应用于以超声波为探测元件的涡街流量 计流量测量，提高了测量精度。 2 0 0 1 年，m a s a n o r ih o n d o h 等阻】【蚓提出的结合传统电路分析、滤波技术和周 期图谱分析方法的涡街信号处理系统，以微处理器为核心，利用信号频谱分析的 结果，调整带通滤波器参数，以除去噪声，提高测量精度。 2 0 0 3 年，c l a r k edw 和g h a o u dth 6 1 设计了基于双锁相环的信号处理电路， 覆盖了涡街信号的整个频段，对流量变化较大的信号，相比原始的处理方法精度 更高，对信号的跟踪更准确。 此外，国外一些生产涡街流量计的公司也进行着涡街流量计数字信号处理新 技术的研究：y o k o g a w a 公司采用频谱信号处理( s s p ) 技术的数字涡街流量计 y e w e l o “7 1 ；a b b 公司推出了t r i o - - w i r lv t 口嗣；r o s e m o u n t 公司研制了以数 第一章绪论 字跟踪滤波器为核心的8 0 0 0 系列等，并申请了专利】【删；f o x b o r o 公司采用自 适应滤波技术来提高测量精度嘞1 。 国内学者的主要研究成果有： 浙江大学的张宏建等随妇随2 1 分别在2 0 0 3 年和2 0 0 5 年提出了d f t 递推算法和基 于h i l b e r t - - h u a n g 变换的数字信号处理方法，d f t 递推算法按逐点递推的方式计 算信号频率，计算量明显减小；h i l b e r t - - h u a n g 变换计算量小，能够满足涡街流 量计在实际工程应用中的要求，此算法是1 9 9 8 年提出的，在时域和频域均有较高 的分辨率，在正常流量范围内应用效果还可以，但是对于小流量没有进行研究。 合肥工业大学的徐科军等先后研究了基于f f t 的经典谱分析法嘞1 、最大熵谱 法、自适应陷波方法侧、小波分析方法睇1 、功率谱分析方法和互相关法旧3 、自 适应滤波方法呻3 等多种数字信号处理方法，并研制了基于d s p 的硬件系统，采用 了变频率采样、程控放大器、环型数据队列等技术，利用周期图谱分析的方法计 算涡街信号频率，处理系统用函数信号发生器的输出信号进行了性能测试实验， 达到比较好的效果嘲，。 近几年来，由天津大学自动化学院的张涛教授主持的涡街信号处理的研究也 取得了很大的进展，研究了松弛陷波周期图法洲6 、子波变换消噪方法嘲6 羽叫、 双抽样率判别滤波法嘲、双窗松弛陷波周期图法脚儿盯3 、基于d u f f i n g 振子的混沌 算法踟和改进的h i l b e r t - - h u a n g 变换法哺町等一系列信号处理方法，并将这些方法 用于对涡街信号的处理，取得了很好的效果。另外，还实现了能低功耗运行的数 字涡街流量计的研制m 儿7 1 儿诩，达到了工业应用的水平。 4 、旋涡发生体的研究。发生体作为涡街流量计的核心部件，是产生强烈且 稳定卡曼涡街的重要保证。 1 9 9 3 年，m i a u 等口羽对t 形旋涡发生体进行研究得出，t 形的延伸段长度l 和迎流面宽度d 之比值在i 5 6 - - - 2 0 时，涡街信号较强，信噪比高，仪表线性度 最好。b e n t l e y 和b e n s o n h 钔对多种立方柱体进行组合，通过实验对组合而成的旋 涡发生体进行了实验，实验发现由两个或三个柱体组合而成的旋涡发生体旋涡产 生的强度和稳定性要强于单一立方柱体。 1 9 9 6 年，n a k a m u r a 口司m 1 对圆形、半圆形、半圆形与矩形组合、矩形和三角 形等带有延伸段的发生体作了更详细的研究，宽度为d ，同时改变发生体后面延 伸段长度l ，发现对s t 数影响最大的因素是l d 而不是发生体形状，s t 数随着l d 增加而减小，这是因为发生体延伸段长度会改变尾流涡街形成区域的流场结构， 这将给涡街流量计中旋涡发生体形状和参数设计带来帮助。 2 0 0 0 年，o l s e n 等h 7 3 对直径方向带有一定宽度槽的圆柱发生体进行了研究， 单圆柱发生体变为双半圆的双发生体，这时形成的涡街强度和稳定性优于单圆柱 第一章绪论 发生体。 龚振起、彭杰纲等分别在19 9 7 年，2 0 01 一2 0 0 4 年先后研究并研制了双发生 体涡街流量计，生成的涡街具有较强的旋涡强度和较好的稳定性，压力损失小， 抗振性能有所提高，并且能降低涡街流量计测量下刚嘲m 1 刚m 3 。 5 、涡街信号检测方式的研究。目前检测方式大致可分为五种嘞1 ：发生体内 设置检测元件直接检测压力脉动的方式，发生体上开设测量孔和导压孔、检测发 生体两侧压差的方式，检测发生体周围交变环流的方式，检测发生体背面交变差 压的方式和检测振荡尾流中的旋涡列的方式。 k e n t 公司生产的涡街流量计首次采用了电容的方法。电容检测一般采用差分 电路因此抗振性能好，缺点是不适合测量脏圬以及有腐蚀性的流体。 2 0 0 0 年，m i a u 等刚通过实验证明在压电物质外层包以橡胶，再在外面敷设 一层硅膜，能有效减低压电晶体对外界振动的灵敏度。 2 0 0 1 年，莫德举等陋5 3 提出在旋涡发生体下游安装永久磁铁和信号电极，根据 电磁感应定律，用电磁法检测涡街频率。 王波、桑传东等治力分别在2 0 0 3 年和2 0 0 4 年提出用光纤传感器检测涡街频 率，利用光纤内光强度的变化来进行测量。这种方法能抗电磁干扰，具有电器绝 缘性。 2 0 0 4 年，b e t a 等嘟1 提出了将电感传感器用于涡街频率的检测方法，得到了较 好的效果。 v h a n 等呻 鸺3 从1 9 9 8 年至2 0 0 8 年对超声检测涡街频率进行了一系列的分 析，在旋涡发生体下游对称安装超声波发射换能器及接收换能器，超声波在流体 中传播时，受到旋涡信号的调制，经信号处理后能得到涡街频率信号。 1 3 课题的提出 虽然国内外众多学者对涡街流量计开展了诸多方面的研究，但是，由于涡街 流量计的发展历史较短，加之工况条件复杂多变，所以仍有很多亟待解决的问题。 一方面，涡街流量计是应用流体的振动进行流量测量的，传感器不仅能检测 到流体的振动，对于管道的机械振动同样敏感，而工业现场的测量管道常会由于 各种设备连接而产生受迫振动，特别是周期性的管道振动，当其振动频率位于正 常涡街频率范围内时，很难将涡街信号与管道周期性振动信号区分开来。那么， 在管道周期性振动条件下，如何来提高涡街流量计的抗振性能呢? 目前有三种解 决方案：一是从仪表安装的角度出发，加装防振接头或者紧固装置，尽可能减小 管道的振动，这种方法只能在一定程度上削弱管道振动，无法从根本上消除管道 第一章绪论 振动，当管道振动强度较大时，对涡街流量计测量影响依然很大；二是，在解决 传统应力式涡街流量计的抗振性能时，大多采用压电元件差动式连接的探头结 构，但是其内部封装技术并不公开，而且对于其抗振效果仍有待于实验验证；三 是，通过对信号处理方法的研究，在仿真条件下得到了满意的效果，但是，由于 算法本身的复杂性，目前在实际管道振动现场中无法实现。因此，除了应对应力 式涡街流量计压电探头进行深入研究、设计出有助于消除管道振动的探头结构之 外，还应研究出适合于管道振动条件下涡街信号检测的实用型算法，并且易于在 现有的硬件基础上实现。 另一方面，涡街流量计测量原理上是不受流体物性和组分的影响的，然而， 随着应用领域的不断拓展，现场工作条件也日趋复杂，在不同工况条件下，涡街 流量计的测量特性是否发生变化、变化多大，还有待于实践检验。目前，对流体 的适应性这部分研究中，还主要集中在流体粘度对涡街流量计线性度的影响，以 及涡街流量计在气液两相流中的测量研究这两方面。由于在测量气体时，常会出 现被测气体压力变化导致介质密度变化的现象，在石油、化工领域，又常会出现 油水两相混合流动的现象，而涡街流量计在上述两种情况下的测量特性研究则很 少。 鉴于以上两个方面，本课题在管道周期性振动、不同气体密度、油水两相混 合流动三种实际工况条件下，对涡街流量计测量特性进行实验研究，以考察其适 应性。 1 4 课题的研究内容 在对涡街流量计的研究现状进行了较为全面的总结的基础上，根据以往对涡 街流量计的研究主要以实验为主的特点，确定了本课题以不同工况条件下的实验 为基础来分析实验中涡街流量计测量特性的思路。 利用天津大学气体流量管道周期振动实验装置，首先，对普通应力式涡街流 量计、横河和a b b 公司生产的数字涡街流量计分别在不同振动方向、加速度条件 下进行了管道周期振动实验，通过比较分析，研究了现有涡街流量计受管道周期 振动的影响程度。然后，设计出一种可将管道振动信号和含有管道振动信号及真 实涡街信号的复合信号同时输出的“三线共地型压电探头，结合基于经验模态 分解( 简称e m d ) 和数字陷波滤波原理的频率提取算法，完成了抗周期性振动 涡街流量计的原理性研究。最后，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为硬件基础，成功地研 制出一台抗周期性振动涡街流量计，并在不同方向、加速度条件下进行了气体流 量管道周期振动实验，最大抗振加速度为0 7 9 ，抗振效果优于现有涡街流量计。 第一章绪论 利用正压法音速喷嘴气体流量标准装置，通过调节实验管道中介质的工作压 力来改变介质密度，分别在四种空气密度条件下、对应力式普通涡街流量计的流 量特性( 仪表系数、线性度、重复性、流量下限) 进行实验研究，通过仪表系数 误差分析验证了涡街流量计测量不受流体密度变化的影响，并发现涡街流量计流 量下限随着介质密度增大而降低，从旋涡升力理论角度予以解释。 在天津大学油气水三相流实验装置上，应用应力式普通涡街流量计对垂直上 升管内的油水两相流总体积流量进行了实验测量，分析了实验范围内的流型、油 水两相涡街的信号，以及不同两相混合流量下，涡街流量计的测量误差随含油率 的变化情况，验证了涡街流量计工作原理在油水两相混合流量中依然适用，并给 出了仪表系数相对误差随含油率的变化趋势及相应解释。 1 5 课题的创新点 本课题的主要创新点归纳如下： 1 研究了应力式普通涡街流量计、横河数字涡街流量计、a b b 数字涡街 流量计在不同方向和加速度管道周期振动条件下的仪表系数相对误差，分析了误 差原因，通过对比总结了上述三种涡街流量计的抗振性能。 2 设计出一种可将管道振动信号和含有管道振动信号及真实涡街信号的复 合信号同时输出的“三线共地型”压电探头，并研究了相应的基于e m d 陷波原 理的涡街频率提取算法，通过仿真研究与实流实验，证明了该方法用于抗管道周 期性振动效果很好。 3 研制出一台以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为系统核心、采用差谱陷波涡街频率 提取算法、具备丰富的流量仪表功能的抗周期性振动涡街流量计，通过不同方向 和加速度管道周期振动条件下的实流实验，验证了该流量计对管道周期性振动具 有很好的抗振效果，适合于振动场合。 4 在以调节介质工作压力来改变介质密度的实验基础上，研究了涡街流量 计的流量特性( 仪表系数、线性度、重复性、流量下限) 随介质密度的变化情况， 验证了涡街流量计流量测量不受流体密度变化的影响，发现并解释了流量下限随 介质密度增大而降低的现象。 5 研究了涡街流量计测量垂直上升管内的油水两相流总体积流量的测量误 差，并分别采用脉冲累积和功率谱分析两种方法对两相仪表系数及其相对误差进 行分析，验证了涡街流量计流量测量不受流体组分的影响，给出了仪表系数相对 误差随含油率的变化趋势及相应解释。 第二章涡街流量计不同密度下流量特性的实验研究 第二章涡街流量计不同密度下流量特性的实验研究 人们常说实践是检验真理的唯一标准，在科学研究领域，以探究物理本质为 目的的验证性实验也是检验理论正确性的重要标准和途径。涡街流量计最基本的 流量方程经常引用卡曼涡街理论，进而得出涡街流量计旋涡分离的频率仅与流体 工作状态下的体积流量成正比，而对被测流体温度、压力、密度、粘度和组分变 化不敏感的特点。在实际应用中，现场工作条件的变化到底会对涡街流量计测量 带来多大的附加误差尚不明确呻儿瑚1 。本文采用实验方法，利用正压法音速喷嘴 气体流量标准装置，通过调节实验管道中介质的工作压力来改变介质密度，在不 同介质密度下对涡街流量计的流量特性进行对比研究。 2 1 涡街流量计的工作原理 涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡曼涡街”原 理。如图2 1 所示，在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线型柱 形体( 本课题研究的是梯形柱) ，称之为旋涡发生体。当流体沿旋涡发生体绕流 时，会在旋涡发生体下游产生两列不对称但有规律的交替旋涡列，这就是所谓的 卡曼涡街1 0 。 管壁 、望s 流答犷品探3 旋涡发生体鹭) 由于旋涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。卡曼对涡列的稳定条件 进行了研究，于1 9 11 年得到结论：只有当两涡列之间的距离h 和同列的两旋涡 之间的距离l 之比满足 第二章涡街流量计不同密度下流量特性的实验研究 鱼：o 2 8 1 l 时，所产生的涡街才是稳定的。 大量实验证明：在一定雷诺数范围内，稳定的旋涡发生频率厂与流经旋涡发 生体两侧的平均流速v l 之间的关系可表示为： f _ s t 鼍- s t 南 聊小并陌“咄和 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，厂旋涡频率，h z ； 斯特劳哈尔数，对一定形状的旋涡发生体在一定雷诺数范围内为 无量纲常数； v 1 旋涡发生体两侧的平均流速，m s ； d 旋涡发生体迎流面的宽度，m ； v 管道内的平均流速，m s ： m 旋涡发生体两侧弓形流通面积之和与管道的横截面积之比； d 管道内径；m 。 在涡街的产生过程中，根据汤姆生定律，当一个旋涡从涡街发生体一侧分离 时，必然在发生体周围产生一个反向的环流，旋涡带走的环量与环流的环量大小 相等，方向相反。根据库塔一儒可夫斯基升力定理n 嘲，旋涡发生体将受到一 个升力，该升力垂直于来流方向。设作用在旋涡发生体每单位长度上的升力为 f f | 奄： ， 1 ，2 吒2 i 吒v j 0 ( 2 3 ) 式中，吼升力系数； p 流体密度，k g m 3 。 由于交替地作用在旋涡发生体上升力的频率就是旋涡的脱落频率，通过压电 探头对五变化频率的检测，即可得到厂，再由式( 2 一1 ) 可得体积流量为： 第二章涡街流量计不同密度下流量特性的实验研究 玑：壁v ：壁耐 g v2 了怛石喇 小舌= ( 等m g ， q 6 f ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：鼋。体积流量，m 3 s ； k 涡街流量计的仪表系数，m 。 从式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可以看出，对于确定的仪表口径d 、旋涡发 生体特征尺寸d 及斯特劳哈尔数& ，流体的体积流量q ，与旋涡频率厂成正比， 而厂只与流速1 ，和旋涡发生体的几何参数有关，而与被测流体的物性和组分无 关，因此可以得出结论：涡街流量计不受流体温度、压力、密度、粘度、组分因 素的影响。本课题正是研究在复杂的现场环境下，工作压力的增加、介质密度的 变化到底会不会对涡街流量计流量测量产生影响、影响多大。 2 2 正压法音速喷嘴气体流量实验装置 实